（安全技术及工程专业论文）建筑钢结构火灾风险评价和抗火设计.pdf

沈hi 航空i ：业学院硕士学f i ) = 论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t e e ls t r u c t u r a lb u i l d i n gw i d e l ya p p l i e di no u rc o u n t r y , b e c a u s eo fi t s l l i g hi n t e n s i t y , l i g h ts e l f - w e i g h t , b i gu 一s p a c e g o o df l e x i b i l i t y , q u i c k l yc o n s t r u c t i o np r o g r e s s a n do t h e ra d v a n t a g e s h o w e v e r , s t e e li sn o tf i r e p r o o f w h e nt h et e m p e r a t u r ei s4 0 0 ，t h e s t e e ly i e l ds t r e n g t hw i l lf a l lt ot h eh a l f o f t h ei n t e n s i t yu n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e w h e nt h e t e m p e r a t u r ea c h i e v e d6 0 0 ，t h es t e e lb a s i c a l l yw i l ln e a r l yl o s et h ec o m p l e t ei n t e n s i t ya n d t h er i g i d i t y t h e r e f o r e ，w h e nf i r ep r o t e c t i o nm e a s u r e so ft h es t e e ls t r u c t u r ea r eu n a v a i l a b l e ， o n c et h ef i r eh a p p e n s ，i t sb e a r i n gc a p a c i t yw i l ld r o p ，a n dt h ed i s t o r t i o nw i l lr a p i d l yi n c r e a s e i t w i l lp o s s i b l yb ea b l et oa c h i e v et h el i m i t i n gc o n d i t i o na n dt u r nt od e s t r u c t i o ni nas h o r tt i m e a tp r e s e n t , t h ec o d eo fd e s i g no nb u i l d i n gf i r ep r o t e c t i o na n dp r e v e n t i o ni sb a s e do nt h e e x p e r i m e n ti no u rc o u n t l y i th a st h em u l t i t u d i n o u ss h o r t c o m i n g s t ot h ep r o b l e me x i s t e d ，a f i r e - r e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o db a s e do nc o m p u t a t i o nw a sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r , w h i c h e f f e c t i v e l ys a l u t e dt h ei n s u f f i c i e n c yo fo t h e re x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n da p p l i e dt op r o j e c t e x a m p l er e s e a r c h t h ep r o c e s sa n dm a i nc o n t e n t si n t h i sp a p e ra r e 够f o l l o w s f i r s t , t h es t e e ls t r u c t u r a l b u i l d i n gc o m m o n l yu s e df r a m es t r u c t u r ew a st a k e na sam o d e lw a sc a r r i e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a lo v e r a l ls t r u c t u r ea n a l y s i sf o rt h es t e e ls t r u c t u r a lb u i l d i n g ，t oa s c e r t a i nt h em o s t i m p o r t m e n tc o m p o n e n to fs t e e ls t r u c t u r a lb u i l d i n g t h e n , t h ec a l e f a c t i v ec l l r v ew a st a k e na s f i r em o d e lr e f e r r e dt oi s 0 8 3 4 ，t h en o n l i n e a rs i m u l a t i o nu s i n gs o f t w a r ea n s y s l 0 0f o rs t e e l s t r u c t u r a lb u i l d i n gu n d e rt h ef i r e ，a n dt h ew h o l es t r u c t u r er e s p o n s ew a sa n a l y z e d f i n a l l y , t h e e x i s t e df i r ep r o t e c t i o nm e t h o d sw e r ec o m p a r e di nt h i sr e s e a r c hb a s e do nt h es y s t e mt h o u g h t i nc o n c l u s i o n , t h ee x a m p l er e s e a r c hs h o w e d ，c o n s i d e r e da c t i v em e a s u r e m e n ta n dp a s s i v e m e a s u r e m e n ti ns y s t e ma n dc o m p r e h e n s i v e ，w ec a nm a k et h ef i r e r e s i s t a n td e s i g nm o r e r e a s o n a b l e k e y w o r d ：s t e e l s t r u c t u r a l b u i l d i n g ；f i r e ；s t r u c t u r a la n a l y s i s ；f i r e - r e s i s t a n c ed e s i g n ； p e r f o r m a n c e i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完 成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进 行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名八曰随乙 护7 年。月d p 日 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学位论文 被查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以影 印、缩印或其他复制手段保存学位论文”；愿意将本人学位论文电 子版提交给研究生部指定授权单位收录和使用。学校必须严格按照 授权对论文进行处理，不得超越授权对毕业论文进行任意处置。 授权人固厢、 a _ 7 年月j 孑日 沈日1 航空i ：业学院硕十学位论文 第1 章绪论 与其它建筑结构形式相比，钢结构强度高、自重轻、使用空间大、灵活性好、施工 进度快等优势，广泛地应用于各种建设工程。目前，国内外钢结构建筑发展迅速，体育 场馆、写字楼、商场、工业厂房等已大量采用钢结构。然而，钢材虽为非燃烧材料，但 不耐火，温度为4 0 0 。c 时，钢材的屈服强度将降至室温下的半；温度达到6 0 0 。c 时， 钢材几乎丧失其全部强度和刚度。因此，当钢结构防火保护措施不利时，一旦发生火灾， 其承载能力将下降，变形迅速增加，可能会在较短时间内就达到极限状态而发生破坏。 i i 课题的研究背景 i i i 钢结构火灾及其危害 在2 0 0 1 年的“9 i i ”恐怖袭击事件中，由于飞机撞击引起大火，致使纽约世界贸易 中心两栋1 1 0 层、高4 l l m 、用钢7 8 x i 0 4 t 的钢结构大楼倒塌，造成2 3 8 0 人死亡 1 1 。 1 9 6 7 年美国蒙哥马利市的某饭店发生火灾，钢结构屋盖被烧塌。1 9 7 0 年美国高达5 0 层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲1 0c m 左右。1 9 8 4 年美国费 城哈罩森大楼火灾，钢桁架结构坍塌，且不同程度地殃及到附近1 7 幢建筑。我国每年 因火灾造成钢结构损毁或倒塌的事故达数十例起，国内钢结构火灾情况见表1 1 1 2 1 。 表i i 国内钢结构火灾情况 火灾造成的结构破坏，除造成人员伤亡以及直接经济损失外( 结构损失) ，还可能 造成更大的间接经济损失( 如工厂停工) ，如2 0 0 3 年上海大众汽车制动器厂发生火灾， 沈r l 航空l ：业学院硕十学位论文 因钢结构厂房的破坏，使工厂停产致使大众汽车生产线的汽车总装受到影响。国内外统 计表明，火灾引起结构失效造成的间接经济损失，约为火灾直接经济损失的3 倍【2 1 。 1 1 2 火灾下建筑钢结构破坏机理 从著名的英国b r e c a r d i n g t o n 钢结构火灾实验中总结出以下几点1 3 】： 第一，高温使钢材的弹性模量降低，结构刚度下降； 第二，高温使材料强度降低，甚至熔化，导致结构承载能力下降； 第三，构件内部不均匀升温，使构件内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀， 从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。 这三个方面的共同作用，导致建筑构件变形增大、开裂、屈曲、破坏，甚至局部或 整体倒塌。 1 1 3 钢结构防火保护方法 钢结构建筑的防火保护措施可以分为主动式和被动式两大类，如图1 1 所示。 图1 1 建筑钢结构防火保护分类 主动防火主要指直接限制火灾发生和发展的技术，如建筑物的防火安全设计技术、 火灾探测报警技术、喷水灭火或其他灭火技术、烟气控制技术等m 5 1 。被动防火主要指的 是提高或增强建筑构件或材料承受火灾破坏能力的技术，如提高建筑构件耐火( 及r 岛温) 性技术可燃材料的阻燃技术等 4 , 5 1 。有的技术实际上同时涉及主动防火和被动防火，如防 沈日l 航空l ：业学院硕十学位论文 火安全设计对建筑物的火灾防治做出总体规划，综合考虑各类消防技术的应用，但主要 体现在主动防火。 目前，我国在进行钢结构抗火设计的时候主要考虑的是被动防火，主动防火考虑的 较少。也就是说在进行钢结构抗火设计中被动防火与主动防火是分离的，这样大大增加 了建筑成本，而且将联系紧密的事物分离也是不科学的。 钢结构被动防火从热量传输原理归纳起来主要有两大类：截流法和疏导法1 6 7 l 。 截流法的原理是依靠附着在钢结构表面的防火保护材料截断或阻滞火灾产生的热 流量向构件传输，从而使得构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。防火保护材料 应具有良好的绝热性；在装修、正常使用和火灾升温过程中，不开裂、不脱落，能牢固 的附着在钢构件上；应具有一定的结构强度和抗冲击能力，并且粘结强度大或有可靠的 固定方式；不腐蚀钢材；不含危害人体健康的石棉等物质。截流法又分为喷涂法、包封 法、屏蔽法、水喷淋法等。 疏导法允许热流量传到钢构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使构件温度 在规定的时间内不会达到临界温度，以起保护作用。疏导法目前仅有水冷却保护法。位 于美国匹兹堡的美国钢铁公司大厦( 6 4 层) 采用此方法进行钢柱防火。该方法是在空心 封闭的钢构件充满水连成管网，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸 发消耗热量或通过循环把热量带走，将构件的温度控制在1 0 0 c 左右。冷却水可由高位 水箱或供水管网或消防管网来补充，蒸汽由专设的排气口排出。 1 2 钢结构火灾研究的发展和现状 目前，钢结构火灾研究主要有试验方法和分析计算方法2 舯】。多年来，人们进行了 大量单根梁柱的标准抗火试验，并建立了基于试验的构件抗火设计方法1 2 ，”。但试验 过程需要耗费相当长的时间，试验的费用也相当昂贵，每一试验能提供的数据很有限； 试验的操作过程也比较难以控制，有时得到的试验数据相当离散；另外标准火炉试验一 般采用4 , n 中等尺寸的试样，还需人为地确定边晃条件和加载情况等，试样的抗火性能 不一定能代表真实结构的抗火性能。 为了解决基于试验的构件抗火设计方法存在的问题，钢结构构件抗火计算的理论研 究引起了很多研究者的重视，并刀：展了大量的研究。利用有限元方法和经典解析分析方 沈日i 航空f ：业学院硕十学位论文 法，基本上建立了能考虑任意荷载形式的端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目 前这种方法已被英国、欧共体、澳大利亚等国家( 组织) 的钢结构设计规范1 2 。1 7 1 采用。我 国上海市标准钢结构防火技术规程( d g 门j 0 8 0 0 8 2 0 0 0 ) 【l8 】也采用这种方法。这种 设计方法的缺点是无法反映结构整体的耐火时间。 我国现行规范建筑设计防火规范( g b 5 0 0 1 6 2 0 0 6 ) 1 1 9 1 和高层民用建筑设计防 火规范( g b 5 0 0 4 5 9 5 ，2 0 0 5 修订版) 1 2 0 l 采用的是基于试验的构件抗火设计方法。这种 设计方法目前存在的一些缺点，如耐火等级不易选择、耐火极限要求不合理、构件实有 的耐火极限的确定方法不科学等。探索一种先进的适合我国国情的钢结构防火设计方法 已成为国内火灾研究者迫切需要解决的问题。 上世纪6 0 年代末到8 0 年代初的二十年间，国外在通过理论分析和计算确定结构构 件的力学性能和热力学性能方面取得了很大的进展。日本、德国、瑞典、比利时、英国、 加拿大等国家也先后建立了各自的结构防火设计规范。但是由于结构受火时工作情况的 复杂性，这些方法还较少直接用于工程实践中。国内外对结构的研究也主要集中于在如 何预测整个结构在真实情况下的结构反应方面，以达到用理论分析预测代替试验来确定 结构抗火能力的目的，节约花在试验上的费用。火灾下的建筑结构整体反应分析尚是热 门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳【2 】。 目前，进行钢结构防火设计的时候，仅仅考虑如何提高钢结构的防火抗火能力，也 就是被动防火与主动防火是分离的，这样大大增加了建筑成本。而且，钢结构防火大量 采用的是防火涂料1 2 1 2 2 ，但防火涂料又涉及到使用年限、维护困难等其它一些问题，钢 结构的安全不能很好地得以保证，且比较昂贵。 1 3 课题研究的方向和内容 本课题立足于火灾下建筑钢结构安全性能的研究，以建筑钢结构关键部件的确定为 出发点，通过计算分析确定第一类关键构件，在此基础上分析火灾下建筑钢结构的响应。 然后，运用分析计算方法，对建筑钢结构进行抗火设计。并对主动防火和被动防火进行 了系统分析，提出对关键构件进行复合保护，以达到安全及成本要求。 沈日1 航空l ：业学院硕十学位论文 本课题研究流程和主要内容如图1 2 。 确定建筑钢结构的关键构件( 本文第2 章) 火灾下建筑钢结构响应分析，以及对整体建筑的影响分析 ( 本文第3 章) i 采用一种基于计算的建筑钢结构抗火设计方法( 本文第4 章) j 进行j = 程实例分析，并基于系统的思想，对现有的建筑钢结 构防火方法，进行比较研究。系统综合地考虑主动防火和被 动防火，对关键部件进行复合保护，更加合理地进行建筑钢 结构的防火保护( 本文第5 章) 1 4 课题的研究意义 图1 2 本文研究流程和主要内容 ( 1 ) 通过建筑钢结构火灾风险评价，确定高温下建筑钢结构的关键部件，为钢结 构抗火设计计算提供一定的依据。 ( 2 ) 采用一种基于计算的钢结构抗火方法，弥补了受资金、时间等问题限制的试 验方法的不足。 ( 3 ) 为钢结构设计提供一定的参考，在设计时就考虑高温对建筑结构的影响，采 用设计手段，增强建筑结构的安全性能。 ( 4 ) 为钢结构设计以后，室内装修、室内物体布置( 可燃物) 以及消防装置位置 设定等提供参考依据。使得火灾发生后，建筑结构具有更高的耐火时间。 ( 5 ) 为钢结构建筑火灾灭火提供一定的依据，避免高温下的关键构件突然遇冷， 引起失稳，导致建筑钢结构的整体倒塌。 ( 6 ) 通过科学的分析和计算，使得建筑结构的消防安全和防火资金的投入更加合 理。 沈r i 航空1 业学院硕士学位论文 第2 章钢结构关键构件的确定 在钢结构建筑中，不同的构件承担着不同的应力，共同保证建筑结构的安全性能。 由于内力重分布，某一构件的破坏不一定导致建筑整体倒塌。但是，关键构件的失效， 则会导致钢结构的倒塌。本章对关键构件进行了定义，并着重对第一类关键构件进行了 分析研究，最后讨论了非常态高级关键构件的影响。 2 1 关键构件的定义 本文对钢结构关键构件做出如下定义：由于某一构件( 梁、柱) 或某些构件( 梁、 柱) 的失效，会导致钢结构建筑损毁或倒塌，则该构件称为关键构件。本文研究的关键 构件分为以下两种关键构件，第一类关键构件和第二类关键构件。 第一类关键构件，指火灾发展到一定程度，室内空气温度基本一致，构件( 梁、柱) 温度沿纵向均匀( 近似) ，如果失效会导致钢结构建筑损毁或倒塌的构件。 第二类关键构件：指火灾局部迅速升温，构件( 梁、柱) 温度沿纵向分布不匀，如 果失效会导致钢结构建筑损毁或倒塌的构件( 梁、柱) 。 建筑钢结构构件等级划分如图2 1 所示。 高 低 图2 1 建筑钢结构构件等级划分 常态高级关键构件：正常条件下的高级关键构件。 非常态高级关键构件：在丁f 常条件下不是高级关键构件，在特殊条件( 如火灾等) 下能变为高级关键构件的构件。 沈日i 航空l ：业学院硕七学位论文 2 2 第一类关键构件研究 由于计算条件的限制，非均匀分布的温度作用，直接施加困难，一般都假设钢构件 内部的温度在各瞬间都是均匀分布。如截面温度非均匀分布，则可在内力和截面力学参 数中考虑其影响，仍假定截面温度均匀分布。所以，一般把第二类关键构件的问题，转 变为第一类关键构件的问题。因此，本文主要进行第一类关键构构件的研究。 第一类关键构件研究方法和步骤： 通过对钢结构进行整体分析，得出第一类关键构件，步骤如下： ( 1 ) 采用建筑钢结构分析e t a b s 软件】，建立钢结构三维立体模型。 ( 2 ) 施加竖向荷载，包括，结构自重、建筑使用时的楼面竖向活载。 ( 3 ) 施加温度荷载。 ( 4 ) 求得梁的弯矩和柱的轴向力。 ( 5 ) 比较分析结果，进行排序，得出各构件的关键度排序。 ( 6 ) 在建筑设计使用中，需对不同等级的构件区别对待，以保证钢结构建筑的安 全性。 2 3 计算模型 为了便于进行建筑钢结构关键构件的进行分析和研究，本章选取最常用框架结构建 立计算模型，如图2 2 所示 2 4 珊l 。 、 i ， _ 一 7 、 j _ ? i - 叫 t 图2 2 钢结构框架三维立体模型 一7 沈目l 航空j ：业学院硕十学位论文 x 轴方向为3 跨，轴间距5 5 m ；y 轴方向为3 跨，轴间距5 5 m 。结构共3 层，层高 3 m ，所有柱脚固接。梁、柱材料为建筑常用的q 2 3 5 钢，截面为工字形截面，如图2 3 ， 其尺寸如表2 1 所示。经e t a b s 软件计算，本模型符合钢结构设计规范 ( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 1 2 7 1 的要求。 蔓荽一： ! r ：盎 。 瑟；茹一 三爱 圈2 3 鬃( 左) 和柱( 右) 的截面形状 表2 1 榘和柱的结构截面尺寸 2 4 荷载工况 为了便于研究，本章对施加的荷载做了简化，仅考虑了如下荷载工况，如表2 2 所 示。 表2 2 荷载工况 2 5 计算结果和分析 2 5 1 粱的关键构件确定 在建筑钢结构中，梁属于受弯构件，因此本节主要从弯矩来分析梁的安全状况，由 于在建模时各梁均采用了相同截面，具有一定的可比性，计算结果如表2 3 。 沈日i 航空。j ：业学院硕十学伊论文 表2 3 各粱的最大弯矩单位：k n m 各梁的关键度排序如表2 4 所示，其中，梁b 1 、梁c 1 、梁b 7 、梁c 7 为高级关键 构件，如图2 4 和2 5 所示。 袭2 4 各粱的关键度捧序 粱b 1 粱b 7 柱b 4柱b 7 i - 十n 一 ， 一一 i 图2 4b 立面高级关键构件 沈日l 航空i ：业学院硕士学位论文 粱c 1 粱c 7 拄“ 柱c 7 一 图2 5c 立面高级关键构件 2 5 2 柱的关键构件确定 在建筑钢结构中，柱属于受压构件，因此本节主要从轴向力来分析柱的安全状况， 由于在建模时各柱均采用了相同截面，具有一定的可比性，计算结果如表2 5 。 表2 5 各柱的轴向力单位：k n 各柱的关键度排序如表2 6 所示，其中，拄b 4 、枉( 2 4 、柱b 7 、柱c 7 为高级关键 构件，如图2 4 和图2 5 所示。 沈日l 航空l ：业学院硕+ 学位论文 袁2 6 各柱的关键度捧序 2 6 非常态高级关键构件 目前，在钢结构设计中，常态下的钢结构关键构件考虑的比较多。但是，一旦外界 条件发生剧烈变化( 如火灾、爆炸等) ，某一构件被破坏，也有可能导致建筑钢结构关 键构件等级发生变化，原先的非高级关键构件，有可能变为高级关键构件。此时，如果 该构件失效，而事先没有采取应对的措旄，也会引起严重的后果。 沈r l 航空工业学院硕十学位论文 第3 章火灾下建筑钢结构的响应 上一章进行了关键构件的确定，本章以关键构件为出发点，进行了关键构件在火灾 下的响应，以及对建筑结构整体的影响分析。 3 1 火灾下钢结构热传递分析 热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射t 2 9 - 3 。火灾发生以后，钢构件 的升温是通过与热空气之间的传热及构件内部的热传导而实现的。第一阶段：热由室内 ( 或室外) 以对流换热和物体间的辐射换热方式传给构件外表面；第二阶段：在构件内 部热以固体导热的方式传递内部各点。热空气与钢构件问的传热，如图3 。l 所示。 鸯萎 7 、，、，、7 _ b l 一 t 艄件 图3 1 热空气与钢构件向的传熟 根据傅里叶导热定律及热平衡原理1 3 可得钢构件截面导热微分方程为： 百a t 一昙p 割+ 参( 兄豺。 ， 百一夏【 瓦j + 万【五万j 二u 式( 3 1 ) 中，p - 介质密度，k m 3 ； c 介质比热容，j ( 蛞) ； r 点( x ，y ) 处在时刻t 的温度，； a 介质导热系数，w ( m ) ； y 坐标，m i 12 _ 一 蠡羔 f f 1 l 沈刚航空l 4 业学院硕十学位论文 卜一时问，s 。 导热微分方程揭示了空间和时间领域内各点的温度场变量的内在联系，是存在物体 内的各种导热现象必须遵循的客观规律。但仅凭导热微分方程尚不能给出物体的温度 场，只有具备了一定条件，才能使物体内的温度场被唯一确定下来。这种条件在传热学 中称之为“单值条件”。具体包括以下几个条件： 几何条件，即物体的形状和尺度。 物性条件，即材料的热物理性能，分为常物性和变物性两类，对于钢材而言，可按 常物性处理。 时间条件，指的是已知某一时刻导热物体的温度分布。有两种不同的分析类型，一 种是温度场不随时间而变化，整个导热闯题退化为求稳定温度场的问题，又称稳态导热。 另外一种是温度场随时间变化，给出某一瞬间物体内各点的温度，称为瞬态导热。钢结 构火灾反应分析一般是瞬态导热。 边界条件，即物体边界上的换热条件，反映了物体的热传导过程与周围环境相互作 用的条件。常见的边界条件主要有三种：第一类边界条件是已知任何时刻物体边界面的 温度值；第二类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的热流通量值；第三类边界条件 是已知与边界面直接接触的流体温度和边界面与流体之间的换热系数。 在进行钢结构火灾反应分析的时候，般假设空气的温度已知( 初始温度 r 0 = 2 0 ) ，属于第三类边界条件，此类边界条件实际上是指热对流。对钢结构火灾反 应分析而言，还应考虑第四种边界条件，即热辐射。 热辐射是指热能以电磁波的形式传播，它可以穿过真空或透明的固体和液体。计算 表达式为； q ，= q 仃随+ 2 7 3 r 一佴+ 2 7 3 ) 4 j ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，驴为形状系数，一般取1 0 ；仃为s t e f a n b o l t z m a n n 常数；s ，为综合 辐射系数t ，= 8 ，；6 ，为与着火房间有关的辐射系数，一般取0 8 ；。为与构件表 面特性有关的辐射系数，一般取0 6 2 5 ；q ，为单位时问内向构件单位表面积上传递的热 量，w m 2 ；耳为钢构件的表面温度，z 为空气的温度。 1 3 沈r l 航空i ：业学院硕十学位论文 热对流是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式，对流 性热传递是决定火焰传播的主要因素，计算通常都是在固体表面和环绕固体的流体之问 进行，在给定情况下，热传递一般直接取为与两个材料之间的温度差成乖比。表达式为： q 2 厅眈一耳) ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中，q ，为随时间和空间变化的给定热流通，h 为热空气与钢构件之问的 对流换热系数，对流热传递系数h 的取值决定于表面几何尺寸，液体流动类型，边界厚 度等因素。结构构件受热时的典型取值为h = 2 5w ( m 2 - ) ，对于烃类燃烧火灾，可取 h = 5 0w ( m 2 ) 。耳为钢构件的表面温度，t 为空气的温度。 3 2 火灾作用模型的设定 3 2 1 火灾荷载 火灾荷载是指可能发生火灾的具体建筑空间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总 热量。一般地说，大空间所容纳的可燃物比小空间要多，火灾荷载并不能定量得阐明其 与作用面积之间得关系，所以采用火灾荷载密度来表示单位面积上的火灾荷载。国外， 瑞士、澳大利亚、美国都给出了一些统计结果，表3 1 所列火灾荷载密度是根据假定可 燃物集中放置时计算出来的平均值1 3 2 l 。 表3 1 各类建筑中的火灾荷载密度 火灾荷载密度是衡量建筑物窀内所容纳可燃物数量多少的一个参数，在建筑物发生 火灾时，火灾荷载密度直接决定着火灾待续时阔的长短和室内温度的变化情况。 一1 4 一 沈r i 航空一i ：业学院硕十学位论文 3 2 2 标准火灭升温衄线 影响火灾下建筑室内空气升温过程的因素很多，主要包括：室内可燃材料的燃烧性 能、可燃物的数量( 火灾荷载密度) 、可燃物的分布情况、着火房间的通风状况( 房间开1 3 ( 门窗) 情况) 、着火房间的大小、形状及房间墙体、楼板材料的热工性能等。我国现行有 关标准采用的室内火灾升温曲线一般为i s o8 3 4 标准火灾升温曲线，其表达式如下1 3 3 l 。 升温段( f - t h ) 互一1 0 4 1 7 c m i n “3 0 m i n (35d t ” 鲁= 训6 7 ( 3 一“，6 0 ) 胁3 。 t h _ 1 2 0 晌 ( 3 7 ) d t 式( 3 4 ) 一式( 3 7 ) 中，t 为火灾发生后的时间，m i n ；乃为升温时刻f 的环境温 度，疋( o ) = 2 0 ；靠为升温持续的时间，当0 0 2 _ 7 7 o 2 m m ，1 0 0 0 - 厢 1 2 0 0 ( j m 2 s 】a k ) 且5 0 鲁q - 1 0 0 0 ( m i i m 2 ) m ，可用下式( 3 8 ) 计算： 厶以s 圳一( 争g ，町幽 s ， 以表格形式给出的i s 0 8 3 4 标准升温过程升温段如表3 所示。 。 5 一 沈目i 航空i ：业学院硕+ 学位论文 表3 2i s 0 8 3 4 标准升温曲线温度一时问关系 时间f ( m i n ) 温度升高t 一瓦( ) 3 3 高温下钢的力学参数分析 3 3 1 泊松比 钢材的化学组分及加工工艺对钢材泊松比的影响很小，在常温下其值约为 o 2 7 - , 0 3 0 。钢材的泊松比受温度的影响也很小，见表3 3 。高温下建筑用钢的泊松比可 取与常温下的相同直接取u ，= o 3 团。 表3 3 高温下钢材的泊松比1 0 5 3 3 2 屈服强度 由于高温下钢的应力一应变关系曲线没有明显的屈服极限和屈服平台，高温下钢的 屈服强度如何确定，目前国际上尚无统一定论。e c c s ( e u r o p e a nc o n v e n t i o na n d c o n s t r u c t i o n a ls t e e l w o r k ) 采用应变为o 5 时的屈服应力为屈服应力【8 】，而英国规范则分 别给出了应变为o 5 ，1 5 ，2 o 时的应力，根据保护层对结构变形的要求分别采用【9 l 。 欧洲规范e u r o c o d e3 是以应变为2 o 时的应力作为屈服应力【1 0 l 。考虑到普通结构钢 的“蓝脆效应”以及采用较大的名义应变来确定其高温屈服强度，本文采用如下的拟和公 一1 6 一 。跚鲫m蹦嗡嗡蚴 o 5 m博啪m瑚姗 沈目 航空f ：业学院硕士学位论文 式计算普通钢的高温强度降低系数，也称为折减系数。 ，r = 口= 1 02 0 1 7 ts 3 0 0 c ( 3 9 a ) ，7 r = z ，l = 1 2 4 x 1 0 1 c - 2 0 9 6 x 1 0 。彳+ 9 2 2 8 x 1 0 - 3 t 一0 2 1 6 8 町r = 工r l = 0 5 一互2 0 0 0 3 0 0 c t 土 30 ( 4 2 ) 式( 4 2 ) 中，为横向构件的跨度。 沈r l 航空i ：业学院硕+ 学位论文 图4 1 结构整体变形 4 2 2 建筑钢结构抗火设计要求 结构的基本功能是承受荷载，火灾下，随着钢结构内部温度的升高，钢结构的承载 力将下降，当结构的承载力下降到与外荷载( 包括温度作用) 产生的组合效应相等时， 则结构达到受火承载力极限状态。 ( 1 ) 在规定的结构耐火极限的时间内，结构的高温承载力砧不应小于各种作用 所产生的组合效应& ， 即r ，2 ( 4 3 ) ( 2 ) 在各种荷载效应组合下，结构的耐火t 。不应小于规定的结构尉火极限t 。， 即t d ， ( 4 4 ) ( 3 ) 火灾下，当结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的内部温度 场为临界温度乃，则应不小于在耐火极限时问内结构的最高温度瓦， 即 ( 4 5 ) 上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火时，满足其一即可。 4 3 建筑钢结构的耐火极限 4 3 1 建筑钢结构整体耐火极限要求 建筑结构整体的耐火极限足指：建筑确定的区域发生火灾，受火影响的有关结构构 沈h f 航空一【：业学院硕十学位论文 件在标准升温条件下，使整体结构丧失稳定性所用的时间。目前，我国现行的建筑防火 设计规范还没有对建筑结构整体的耐火极限做出规定。 4 3 2 建筑钢结构构件耐火极限要求 结合前两章的分析，综合我国现行的建筑防火设计规范，可知建筑钢结构构件耐火 极限需主要考虑如下因素： ( 1 ) 建筑的耐火等级。由于建筑的耐火等级是建筑防火性能的综合评价和要求， 显然耐火等级越高，结构构件的耐火极限要求就越高。我国建筑设计防火规范 ( g b 5 0 0 1 6 2 0 0 6 ) 将建筑物耐火等级分为四级【1 9 1 。 ( 2 ) 构件的重要性。越重要的构件，耐火等级就应越高。由分析可知，柱比梁更 重要，耐火极限要求更高。 ( 3 ) 构件在建筑中的部位。由前两章分析可知，建筑下部的构件比建筑上部的构 件更重要，耐火极限要求更高。 目前，我国现行规范【挎2 叭，仅考虑了上述( 1 ) 、( 2 ) 两个因素，对建筑构件的耐火 极限做出了规定，如表4 1 所示。 表4 1 建筑钢结构的耐火极限要求 此外，火灾荷载、自动灭火设备以及建筑的重要性也是确定建筑钢结构构件耐火极 限需考虑因素之一。 沈目l 航空【：业学院硕十学位论文 4 4 自然抗火时同 自然抗火时间( ，z o ) 主要是指人员无伤亡地快速离丌火灾现场并减少结构倒塌 的时间【4 7 】，用如下公式表示： f 知2 x f y - 2 ( 4 6 ) 式( 4 6 ) 中，一最小抗火时间，1 5 m i r a y 一安全因子1 ，与特殊居民逃离火灾现场时间成正比； y ，：安全因子2 ，与建筑结构破坏、周围环境、建筑物内部构造有 关。 表4 2 列出了y j l 、y ，：与不同建筑物所需的自然抗火时间的关系。但在许多情况下， 自然抗火时间被建筑物永远不允许倒塌的规定所代替，因为许多建筑从经济、历史或是 政治方面是不允许破坏的，如历史博物馆、档案馆等。 1 衰4 2 不同建筑物所需的自然抗火时间 4 5 火灾下有轻质保护层的钢构件升温计算 当构件保护层的质量较轻时，在升问过程中，其本身吸收的热量相对于钢构件吸收 的热量来说很小，可忽略保护层吸收的热量对钢构件升温的影响。在标准升温条件1 s o 8 3 4 下钢构件升温可采用如下的计算公式f 2 】。 t = 【o 0 4 4 + 5 l o 。口一o 2 j r + 瓦( 0 ) i 6 0 0 ( 4 7 ) 式( 4 7 ) 中，b 为截面保护层参数，b = 皂二等，其中 为保护层的导热系数， 一2 7 沈ri 航空i ：业学院硕十学位论文 w ，( m ) ；d l 为保护层的厚度，m ：軎为构件的截面形状系数。 各种钢结构防火保护材料的热物理特性见表4 3 【4 3 l 。 表4 , 3 防火保护材料的热物理特性 材料 密度n导热系数 比热容q ! ! ! 塑 ! ! ! 尘里：兰丝 【塑! 垡g ：竺卫 薄涂刑钢结构防火涂料6 0 0 。1 0 0 0 厚涂型钢结构防火涂料 石膏板 砗酸钙板 矿( 岩) 棉板 黏土砖、灰沙砖 加气混凝七 轻骨料混凝土 普通混凝土 2 5 0 5 0 0 8 0 0 5 0 0 - 1 0 0 0 8 0 2 5 0 1 0 0 0 - 2 0 0 0 4 0 0 8 0 0 8 0 0 1 8 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 4 6 钢结构柱的防火保护验算 由第三章的结果分析可知，钢框架柱着火时，相邻梁也会受影响而升温膨胀使钢结 构框架柱受弯，为了便于钢结构框架的抗火设计，可偏于保守地假设柱两端屈服，来验 算火灾下钢结构框架柱绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的整体稳定性1 2 1 。 ( 1 ) 绕强轴x 轴弯曲且柱端弯矩屈服时 绕强轴弯曲稳定： 而n + 羔18 n n 。r 矗 s ， 妒口彳 一o ”。 绕弱轴弯曲稳定： 卫。o r r a + 叩等 9 ， + 町二一s ，” 妒0 1 rd0 、 ( 2 ) 绕弱轴y 轴弯曲且柱端弯矩屈服时 绕强轴弯曲稳定： 旦q ，x 7 a + 叩訾厶 一切菁纠一 。1 一2 8 一 笼 他 加 n加气；气；正m n m m m船舱蓦：蓦： 0 o 0 o o 0 l 沈日i 航空+ i ：业学院硕十学位论文 绕弱轴弯曲稳定： 南a + 斋18 n 正n h y r 妒y r o 。川 r 41 1 、 由于钢结构框架的长细比一般比较小，而两端反向等弯矩条件下p 。和卢，的平均值 约为0 2 3 。则式( 4 1 0 ) 和式( 4 1 1 ) 左端第二项可近似取为0 3 丘r ，推得下式： 旦o 7 , 7 r y 月厶 t p t a 1 ( 4 1 2 ) 式中为高温下轴心受压构件稳定系数；n 为钢结构框架受的轴力，需考虑温度 内力的作用。将式( 4 1 2 ) 改写为： * 窖l 钒叼r ( 4 1 3 ) o 7 q o a f “ 式中舻为常温下轴心受压构件稳定系数，由文献 3 0 1 查表可得。式( 4 1 3 ) 左端项 与温度无关，定义式( 4 1 3 ) 左端项为轴心受压构件的荷载比r ，即 r ：l( 4 1 4 ) o 7 q d a f 轴心受压构件( 普通结构钢) 的临界温度乃如表4 4 所示。 表4 4 轴心受压构件( 普通结构钢) 的临界温度单位： 沈日1 航空i i 业学院硕十学位论文 4 7 钢结构粱的防火保护验算 钢结构框架中钢粱由于受相邻构件的约束，其抗火性能与独立钢梁的抗火性能大不 相同。框架梁在火灾中的初始阶段会产生轴压力，梁的最大内力截面更易屈服。但约束 梁截面的屈服并不意味着梁的破坏，梁通过增大的挠曲变形所产生的悬链效应，仍可继 续承载。此时，梁中的轴力随温度的升高和梁挠曲变形增大，从压力变为零，再受拉， 直到破坏口1 。 本章采用一种比较实用的方法，偏于安全地将火灾中框架梁地轴力变为零时的状态 作为其抗火设计的极限状态，即采用如下公式进行钢结构抗火验算。 m g m 矽 ( 4 1 6 ) ( 1 ) 。为梁上的荷载所产生的弯矩，对于梁上均布载荷情况，m 。由下式可得： m q 寺2 ( 4 1 7 ) 式( 4 1 7 ) 中，g 为火灾下梁所受的均布载荷，k l q m ； ，为梁的跨度，m 吃为与梁的端部连接有关的参数，当梁两端铰接时，b 。= 1 ， 当梁两端刚接时，e = 0 5 。 ( 2 ) 膨为高温下梁截面的塑性弯矩，m 由下式可得： m 矿2 易5 町r h ( 4 1 8 ) 式( 4 1 8 ) 中，既为梁截面的塑性抵抗矩，m 3 ， 坼为高温下钢材的折减系数 y 。为钢的抵抗系数，可近似取y 。= 1 1 ； ，为常温下梁的设计强度，按文献【3 0 取用，m p a 将式( 4 1 8 ) 带入式( 4 1 6 ) 得： m v 叩，y ”f ( 4 1 9 ) 沈日l 航空i ：业学院硕十学位论文 变换得： 、m g 2 w p y 。r f 由式( 3 9 ) 可得框架梁的临界温度乃。 所需防火保护层的厚度矿为： 纠x10气南+02-0044专 ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 一3 1 沈日i 航空i ：业学院硕士学伉论文 第5 章实例计算与分析 为加强节约集约利用土地推进节约型社会的建设，目前一些省市推出了鼓励工业企业 建设多层厂房的政策，并对轻工、纺织服装、电子信息等行业的新建项目强制要求建多层 厂房。钢结构以其强度高、自重轻、使用空间大、灵活性好、施工进度快等优势很受企业 的欢迎。本章将在上述章节研究的基础上，以某服装企业多层钢结构厂房为实体，进行实 例研究。 5 1 项目概述 某服装企业是一家专业生产某品牌运动服装的公司，产品包括入场服、休闲服、t 恤、 足球服、篮球服、沙滩裤、风衣等。现己具备年产1 8 0 万件的生产能力，因为生产规模进 一步扩大，该公司新建了一座6 层钢结构现代化厂房，高2 1 m ，占地3 2 4m 2 ，建筑面积 1 9 4 4m 2 。运动服装大都是以棉和化纤棉纱等为原料，其特点是柔软、有弹性、透气、吸 汗、穿着舒适，其生产工艺流程如图5 1 所示。此钢结构厂房车间工艺流程安排为：一楼 为裁剪车间，二、三、四楼为缝制车间，五楼为整烫车间，六楼为检验车间。 、 图5 1 运动服装生产工艺 在生产工程中，棉、纱等物质只发生量变，而不发生质变，原材料、成品仍保持着原 有的易燃或可燃性质，如受到高温、火花、火焰的作用，都有可能引起燃烧，导致火灾事 故的发生。按建筑设计防火设计规范( g b 5 0 0 1 6 2 0 0 6 ) ，服装生产企业火灾危险性为 丙类。为了便于分析计算，本章火作用模型仍采用i s o8 3 4 标准火灾升温曲线，并按照第 四章给出的计算方法进行建筑钢结构的抗火计算。 本项目钢结构厂房建筑结构框架如图5 2 所示。x 轴方向为3 跨，轴日j 距6 m ；y 轴方 向为3 跨，轴f b j 距6 m 。结构共6 层，层高3 5 m ，所有柱脚固接。梁、柱材料为建筑常用 的q 2 3 5 钢，截面为工字形截面，如图5 3 ，其尺寸如表5 1 所示。拟采用厚涂型防火涂料， 其热传导系数为兄，= o 0 9 3w ( m ) 。钢梁耐火极限要求为2 h ，钢柱耐火极限要求为2 h ， 一3 2 沈日i 航空：i ：业学院硕十学位论